JP3550843B2 - ペン入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は手書き入力機能を有するコンピュータシステム等におけるペン入力装置に関し、特に入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力できるようにして操作性の向上を図ったペン入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、手書き入力機能を有するコンピュータシステム等における入力装置としては、
１）赤外線方式によるもの
２）感圧方式によるもの
３）静電容量方式によるもの
４）電磁方式によるもの
５）超音波方式によるもの
等が知られている。
【０００３】
ここで、１）の赤外線方式によるものとしては、赤外線線を発光するライトペンによるスポット位置を半導体位置検出素子を用いて検出するもの、入力面に複数の赤外線発光素子および受光素子を配設して、赤外線発光素子から発光された赤外線が指、入力ペン等により遮られた位置を受光素子の出力から判別することにより指示位置を検出するもの等が知られている。
【０００４】
また、２）の感圧方式によるものとしては、複数のＸ軸電極が配設された電極シートと複数のＹ軸電極が配設された支持体とをドットスペーサを介在させて重ね合わせた感圧パネルを用いたもの、平行する２枚のプレートを３次元スプリングを介して重ね合わせ、指、入力ペン等により触れた位置の電流の変化を検出することにより指示位置を検出するもの等が知られている。
【０００５】
また、３）の静電容量方式によるものとしては、２枚のガラス上に蒸着形成された導電性の膜をそれぞれＸ軸、Ｙ軸電極パターンとしてこの２枚のガラスを電極パターン形成面を向かい合わせて張り合わせた静電容量結合方式パネルを用いたもの等が知られている。
【０００６】
更に、４）の電磁方式によるものとしては、入力面に複数のセンサアンテナコイルを配設するとともに、入力ペンにはコイルとコンデンサからなる共振回路を内蔵させ、まず上記複数のセンサアンテナコイルに交流電流を流すことにより電磁誘導を利用して上記入力ペンの共振回路に電流を流し、次に上記複数のセンサアンテナコイルに流した交流電流をを切り、この状態で上記上記入力ペンの共振回路に流れる電流により発生する磁界を上記複数のセンサアンテナコイルで検出することにより入力ペンの指示位置を検出するもの等が知られている。
【０００７】
また、５）の超音波方式によるものとしては、
ａ）ガラス基板上に超音波表面弾性波を発生する超音波振動素子および超音波受信素子を配設し、指等の弾性波吸収体の存在を上記超音波受信素子の受信信号の変化から検出する超音波表面弾性波方式によるもの
ｂ）特開昭６４−１０３１９号に開示されているように、スクリーンパネルの表面に少なくとも２つの超音波送受信機のセットを実装し、上記各セットの超音波送受信機から送出された超音波が上記スクリーンパネルで所望の位置を指示しているスタイラスペンで反射され該セットの超音波送受信機で受信されるまでの時間から上記スタイラスペンで指示されている上記スクリーンパネル上の位置を演算算出するようにしたもの
ｃ）実開昭６４−７３４０号に開示されているように、同一平面上の既知な３点以上の点にマイクロホンを配設するとともに、上記平面上の任意の座標位置に置くことのできる発音体を設け、上記マイクロホンの中の２つのマイクロホンに発生する電圧の時間差から上記発音体を含む双曲線の位置を決定し、この双曲線の２本以上の交点から上記発音体の座標位置を決定するようにしたもの
等が知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の１）〜４）の入力装置はいずれも構造が複雑であり、製造コストが高価になるという問題がある。また、任意サイズ、種類の入力面（ディスプレイ）への適用が困難である。
【０００９】
また、５）のａ）のものもその製造が難しく、製造コストが高価になるという問題があり、１）〜４）と同様に任意サイズ、種類の入力面（ディスプレイ）への適用が困難であるという問題がある。
【００１０】
更に、５）のｂ）のものは、操作者の手などとスタイラスペンとの区別が不可能であり、それに起因して誤動作を引き起こす可能性が高いという問題がある。
また、５）のｃ）のものは、例えばスタイラスペンの２次元座標上での指示位置を検出するためには、少なくとも３個のマイクロホンを配設する必要があり、その処理も複雑になるという問題がある。
【００１１】
そこで、スタイラスペンに所定の送信タイミングで超音波を送出する超音波発信手段を設け、このスタイラスペンから送出される超音波を受信側に配設された複数の超音波受信素子で受信し、更にこの受信側において上記スタイラスペンからの超音波送信タイミングを認識できるようにし、これにより複数の超音波受信素子におけるでスタイラスペンからの超音波受信タイミング、すなわちスタイラスペンから超音波が送信されてから上記複数の超音波受信素子でその超音波を受信するまでの時間を計測することにより、その計測結果から上記スタイラスペンによる指示位置を検出する構成が考えられている。
【００１２】
しかし、上記構成において、例えば、スタイラスペンのよる描画画像を手書き入力として入力するような場合には、その手書き入力の開始位置を受信側に知らせる必要がある。
【００１３】
この場合は、スタイラスペンに描画ボタンを設け、この描画ボタンの操作を上記超音波を用いて受信側に知らせるように構成される。具体的には、上記スタイラスペンからの超音波送信タイミングをスタイラスペンの位置検出用と描画ボタンの操作検出用とに区別し、この区別を受信側であらかじめ認識できるようにして行われる。
【００１４】
しかし、この構成によると、
１）スタイラスペンに描画ボタンを設ける必要がある
２）描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを設けることにより、スタイラスペンの位置検出用の超音波送信タイミングの発生間隔が長くなり滑らかな描画データが得られなくなる
３）複数のスタイラスペンを同時に使用可能にするマルチペン機能を採用する場合においては、２）の不都合は更に顕著になる
という問題が生じる。
【００１５】
一般に、例えば、スタイラスペンによる描画結果を表示するディスプレイサイズを７０インチ程度とした場合、滑らかな描画の表示を可能にするためにはおよそ２５ｍｓｅｃ程度の間隔でスタイラスペンの位置を検出する必要があり、また、スタイラスペンからの超音波送信タイミングの間隔は６ｍｓｅｃ程度必要であるが、描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを設けるとスタイラスペンの位置の検出間隔は１２ｍｓｅｃとなり、滑らかな描画の表示を可能にするには、同時に２本のスタイラスペンしか使用できない。
【００１６】
そこで、この発明は、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することができ、しかも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな描画入力を行うことができるようにしたペン入力装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、請求項１の発明は、所定の入力面に対する入力ペン（１）による指示位置を入力するペン入力装置において、前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段（６）と、前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設され、前記超音波発信手段から発信されて前記入力ペンのペン先から放射される超音波を受信する複数の超音波受信素子（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）と、前記入力ペンと分離して設けられ、所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段（３５）と、前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期して前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御手段（１１）と、前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号を基準としてそれぞれ検出する受信タイミング検出手段（７０）と、前記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示装置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンのペン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段（２，３，４）と、前記受信タイミング検出手段で検出した前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングおよび前記入力ペンのペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記超音波発信手段から前記ペン芯の先端までの距離に基づき前記所定の入力面に対する前記ペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記ペン芯の先端の仮想的３次元的位置を演算する演算手段（４０）と、前記演算手段で演算された前記ペン芯の先端の仮想的３次元的位置が前記所定の入力面から所定の距離入った内側の位置である場合は、該位置に対応する前記所定の入力面上の位置を前記入力ペンによる指示位置として判別する判別手段と（４３）とを具備することを特徴とする。
【００１８】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記所定の入力面は、前記入力ペンにより描画された画像を表示する表示装置（５０）の表示画面上に設定されることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記同期信号発生手段は、前記入力ペンの不使用時に該入力ペンを収容するペンホルダ（３４）に設けられ、前記送信タイミング制御手段は、前記入力ペンが前記ペンホルダに収容された状態で前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のペン入力装置においては、先端を表示装置の表示面上に当接させることにより入力ペンのペン芯を所定量だけ入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段を設けた入力ペンを用いる。入力ペンの先端の３次元的位置を複数の超音波受信素子の受信出力に基づき検出する。ここで、ペン芯の先端の３次元的位置が所定の入力面の後ろ側にあると検出された場合は、入力ペンの先端が表示装置の表示面上に当接されていることを意味するので、この検出に基づき、例えば描画の開始点として判別する。
【００２０】
このような構成によると、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することが可能になる。
【００２１】
以下、この発明に係わるペン入力装置の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、この発明に係わるペン入力装置を適用して構成した情報処理装置の一実施例の概略構成をブロック図で示したものである。
【００２３】
図１において、この実施例の情報処理装置は入力ペン（以下これをスタイラスペンという）１を用いて表示部５０の表示画面上で指示された指示位置に対応する画像を表示部５０の表示画面上に表示するものである。
【００２４】
この実施例において、スタイラスペン１には後に詳述するようにその先端から超音波を出力する超音波発信手段が設けられており、この超音波発信手段から送出される超音波に基づき表示部５０の表示画面上における指示位置を検出してこの指示位置に対応する画像を表示部５０の表示画面上に表示する。
【００２５】
すなわち、この実施例の情報処理装置はスタイラスペン１から発生された超音波を受信する３個の超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃこの３個の超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの受信出力を処理する超音波受信部３０、この超音波受信部３０の処理結果に基づきスタイラスペン１による指示位置を演算してこの指示位置に対応する画像の表示部５０における表示制御を行う演算処理部４０を具備して構成される。
【００２６】
この実施例の情報処理装置の外観は、例えば図２に示すように構成されており、表示部５０の表示画面に対して所定の位置関係で３個の超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃが配設されており、また上記超音波受信部３０および演算処理部４０はこの情報処理装置本体１００内に内蔵されている。
【００２７】
また、表示部５０の表示画面の近傍には、図２に示すように、スタイラスペン１の不使用時にこのスタイラスペン１を収容するためのペンホルダ３４が設けられている。ここで、このペンホルダ３４には、後に詳述するように、このスタイラスペンから送出される超音波の送出タイミングと超音波受信部３０における超音波受信処理との同期をとるための同期回路が設けられている。
【００２８】
また、この実施例において、スタイラスペン１はコードレスのスタイラスペンとして構成され、このスタイラスペン１の駆動電源はスタイラスペン１に内蔵された二次電池が用いられており、上記ペンホルダ３４はこの二次電池を充電するためのアダプタとしての機能も有している。
【００２９】
まず、この実施例における３個の超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの受信出力に基づき表示部５０の表示画面上に対するスタイラスペン１による指示位置を３次元的に検出する原理を説明する。
【００３０】
図３は、表示部５０の表示画面に対して所定の位置関係で配設された３個の超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃとスタイラスペン１による指示位置の関係を示したものである。
【００３１】
今、３次元的に配設された３つの超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚを考える。
【００３２】
ここで、超音波受信素子３１ａは、この３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚの原点に配設されており、超音波受信素子３１ｂは、この３次元座標系Ｘ−Ｙ−ＺのＹ軸上の点（０、Ｌｙ、０）に配設され、超音波受信素子３１ｃは、３次元座標系Ｘ−Ｙ−ＺのＺ軸上の点（０、０、Ｌｚ）に配設されているとする。
【００３３】
また、スタイラスペン１による指示位置が、この３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上の点（ｘ、ｙ、ｚ）であるとするとし、超音波受信素子３１ａから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離がｎ、超音波受信素子３１ｂから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離がｍ、超音波受信素子３１ｃから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離がｌであるとすると、

ただし、ＳＱＲＴ（Ａ）はＡの平方根を示す。
【００３４】
となる。ここでＬｙおよびＬｚは、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの配設位置によって決定される既知の値であるので、超音波受信素子３１ａから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｎ、超音波受信素子３１ｂから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｍ、超音波受信素子３１ｃから点（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｌがわかれば、３次元的に配設された３つの超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上におけるスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。
【００３５】
図４は、この実施例で用いるスタイラスペン１の構造を示したものである。図４に示すように、この実施例で用いるスタイラスペン１は、その内部にスプリング４により弾性的に支持され、摺動可能に配設されたペン芯２が配設されており、このペン芯２の先端部２ａを図１に示した表示部５０の表示面に当接させると、図５に示すように、このペン芯２の先端部２ａがスタイラスペン１の内部に移動するように構成されている。
【００３６】
また、図６に示すように、このスタイラスペン１の内部には超音波を発生する圧電素子６が固定配設されており、またスタイラスペン１の先端部にはこの圧電素子６から発生された超音波を反射させる略円錐型の超音波反射部７が固定配設されており、更に、このスタイラスペン１の上記超音波反射部７の配設箇所に対応する箇所には、上記超音波反射部７で反射された超音波を外部に送出するための超音波通過窓８が設けられている。
【００３７】
なお、図４乃至図６において、３はペン芯２の移動を規制するストッパであり、また５はこのスタイラスペン１の圧電素子６からの超音波の発生を制御する制御回路である。この制御回路５内には、この制御回路５を駆動する電源である２次電池が設けられている。
【００３８】
図４乃至図６の構成において、圧電素子６で発生された超音波は超音波反射部７で反射されて、超音波通過窓８を通って外部に送出される。ここで、圧電素子６および超音波反射部７はスタイラスペン１に対して固定的に配設されるが、ペン芯２はスタイラスペン１に対して摺動可能に配設されている。
【００３９】
すなわち、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させると図５に示したように、このペン芯２はスプリング４の弾性力に抗してストッパ３に当接するまでスタイラスペン１の内部に移動するが、ペン芯２をの先端部２ａ表示部５０の表示面から離すとスプリング４の弾性力により図４に示す状態に復帰するように構成されている。
【００４０】
ここで、圧電素子６から超音波通過窓８までの距離はＬａに設定されており、また、図４に示すペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させない状態における超音波通過窓８からペン芯２の先端部２ａの先端までの距離はＬｂ＋Ｌｃ、図５に示すペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させた状態における超音波通過窓８からペン芯２の先端部２ａの先端までの距離はＬｂに設定されている。
【００４１】
図７は、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させない場合と、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させた場合における圧電素子６および超音波反射部７の配設位置および超音波通過窓８からペン芯２の先端部２ａの先端までの距離の変化の様子を示したものである。
【００４２】
すなわち、図７において、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させない場合は、圧電素子６からペン芯２の先端部２ａまでの距離はＬａ＋Ｌｂ＋Ｌｃになり、ペン芯２の先端部２ａを表示部５０の表示面に当接させると、圧電素子６からペン芯２の先端部２ａまでの距離はＬａ＋Ｌｂになる。
【００４３】
この実施例においては、このＬａ＋Ｌｂ＋ＬｃとＬａ＋Ｌｂの距離差を利用してこのスタイラスペン１による、例えば描画開始点を指示するように構成されている。
【００４４】
すなわち、この実施例においては、後述するように、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃの超音波受信出力に基づき図４に示した状態におけるこのスタイラスペン１の先端部２ａの表示部５０の表示面に対する３次元座標座標を算出するように構成されており、ここで、スタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接された場合は、その算出３次元座標座標は、表示部５０の表示面より距離Ｌｃだけ中に入った位置になる。そこで、この場合は、スタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されたとして、この点を例えば描画開始点として検出するように構成されている。
【００４５】
ところで、この実施例において、超音波受信素子３１ａからスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｎ、超音波受信素子３１ｂからスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｍ、超音波受信素子３１ｃからスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）までの距離ｌを、図６に示した圧電素子６で発生されスタイラスペン１の先端、すなわち超音波通過窓８から送出される超音波を用いて検出する。
【００４６】
具体的には、この距離ｎ、距離ｍ、距離ｌの検出は、スタイラスペン１の先端から出力される超音波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するまでの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを検出することにより行われる。
【００４７】
ところで、上述したように、この実施例ではスタイラスペン１内に内蔵された圧電素子６から発生された超音波をスタイラスペン１の先端部に配設された反射部７で反射させて超音波通過窓８を通って外部に送出するように構成されているので、上記時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、圧電素子６から発生された超音波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するまでの時間となる。
【００４８】
すなわち、上記時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃには圧電素子６から発生された超音波が超音波通過窓８に到達するまでの時間を含んでいる。したがって、圧電素子６から超音波が超音波通過窓８までの距離はＬａであるから、超音波の空間伝達速度をＣとすると、上記距離ｎ、距離ｍ、距離ｌは
ｎ＝Ｃ×Ｔａ−Ｌａ …（７）
ｍ＝Ｃ×Ｔｂ−Ｌａ …（８）
ｌ＝Ｃ×Ｔｃ−Ｌａ …（９）
により求めることができる。
【００４９】
この時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを検出する処理は、図１に示す超音波受信部３０における受信処理部３２で行われる。
【００５０】
図８は、この図１に示す超音波受信部３０における受信処理部３２の具体的構成を示したものである。この実施例では、スタイラスペン１の不使用時にこのスタイラスペン１を収納するペンホルダ３５が設けられており、このペンホルダ３５には、後に詳述するように、スタイラスペン１の超音波発信手段から出力される超音波の出力タイミングと受信処理部３２における受信処理との同期をとる同期回路３５が設けられている。
【００５１】
この同期回路３５は、受信処理部３２に設けられた基本クロック生成回路３２４から出力される基本クロックを計数し、その計数値が一定の値になる毎にスタイラスペン１の超音波発信手段から出力される超音波の出力タイミングを制御する同期信号を出力するように構成されている。
【００５２】
また、スタイラスペン１には、上記基本クロック生成回路３２４と同一の周波数の基本クロックを生成する後に説明する基本クロック生成回路（オシレータ）が設けられており、この基本クロック生成回路は、このスタイラスペン１がペンホルダ３５に収納されたときに、上記同期回路３５から出力される同期信号を入力して、上記受信処理部３２に設けられた基本クロック生成回路３２４との同期を確立し、このスタイラスペン１をペンホルダ３５から取り出した後は、上記同期回路３５と同様にこの受信処理部３２に設けられた基本クロック生成回路３２４との同期して動作する基本クロック生成回路から出力される基本クロックを計数し、図９に示すようにその計数値が一定の値になる毎にスタイラスペン１の超音波発信手段から送出される超音波送出タイミングを制御するように構成されている。
【００５３】
すなわち、スタイラスペン１をペンホルダ３５に収納すると、スタイラスペン１の超音波発信手段からの超音波送出タイミングと受信処理部３２における受信処理との同期がとられ、スタイラスペン１の超音波発信手段からの超音波送出タイミングは同期回路３５から受信処理部３２に加えられる同期信号のタイミングと一致することになる。
【００５４】
同期回路３５から受信処理部３２に加えられる同期信号は、受信処理部３２のカウンタ３２１、３２２、３２３のリセット端子に加えられ、カウンタ３２１、３２２、３２３はこの同期信号に同期してクリアされる。
【００５５】
また、カウンタ３２１、３２２、３２３の計数入力端子には基本クロック生成回路３２４から出力される基本クロックが入力され、またこのカウンタ３２１、３２２、３２３の計数停止を制御する制御入力端子には、スタイラスペン１の先端から出力される超音波を受信したときに超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃからそれぞれ出力される受信クロックが入力されている。
【００５６】
すなわち、カウンタ３２１、３２２、３２３は、スタイラスペン１の先端からの超音波送出タイミングで同時にリセットされ、それぞれ超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃから受信クロックが入力されるまで基本クロック生成回路３２４から出力される基本クロックを計数し、その結果、カウンタ３２１、３２２、３２３の計数値は、スタイラスペン１の先端から出力される超音波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するまでの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃに対応するものになる。
【００５７】
図１０は、このカウンタ３２１、３２２、３２３による時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃの検出動作をタイミングチャートで示したものである。
【００５８】
すなわち、スタイラスペン１の基本クロック生成回路は図１０の（ａ）に示す基本クロックを生成し、図１０の（ｂ）に示す同期信号の立上がりに同期してスタイラスペン１の先端から超音波を出力するための図１０の（ｃ）に示す送信クロックを発生し、この送信クロックに同期してスタイラスペン１の超音波を発生する圧電素子６を駆動するための図１０の（ｄ）に示す超音波駆動信号を発生する。この超音波駆動信号によりスタイラスペン１の圧電素子６が駆動され、スタイラスペン１の先端からはこの送信クロックが生じている間だけ超音波が出力される。
【００５９】
このスタイラスペン１の先端から出力された超音波は超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで受信され、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃからはこの超音波の受信に対応して図１０の（ｅ）に示すような受信クロックが出力される。
【００６０】
そこで、カウンタ３２１、３２２、３２３では、図１０の（ｂ）に示す同期信号の立上がりタイミングから図１０の（ｅ）に示す受信クロックの立上がりタイミングまでの時間Ｔ、すなわち時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを基本クロック生成回路３２４から出力される基本クロック（図１０の（ａ）に示す基本クロックと同一のクロック）を計数することにより求めることができる。
【００６１】
このカウンタ３２１、３２２、３２３で計数されたスタイラスペン１の先端から出力される超音波が超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで検出するまでの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、受信時間保持回路３２５、３２６、３２７でそれぞれ保持され、通信部３３を介して図１に示した演算処理部４０に伝えられる。
【００６２】
演算処理部４０は、この通信部３３を介して伝えられた時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを通信部４１を介して受取り、演算部４２においてこの時間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃに基づきスタイラスペン１、２により指示された指示位置を演算算出する。
【００６３】
この演算部４２においては、まず、前述した式（７）〜（９）に基づき、スタイラスペン１、２から超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃまでの距離ｎ、ｍ、ｌを算出する。
【００６４】
そして、この算出した距離ｎ、ｍ、ｌおよび前述した式（４）〜（６）に基づき、超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃに固定された３次元座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上におけるスタイラスペン１による指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）を算出し、更に図６に示した距離Ｌｂ＋Ｌｃの補正を行うことにより、このスタイラスペン１の先端部２ａの表示部５０の表示面に対する３次元座標座標を算出する。
【００６５】
この補正は、表示部５０の表示面に対する法線と３次元座標系のＹ軸とが平行な位置関係にあるとものとして、上記指示位置（ｘ、ｙ、ｚ）に対して上記距離Ｌｂ＋Ｌｃに対応する補正値を加減算すればよい。
【００６６】
例えば、これを簡単な例で示すと、図１１に示すように、表示部５０の表示面に対する法線が、図３に示したＸ−Ｙ−Ｚ座標系のＹ軸と平行な関係にあった場合は、距離Ｌｂ＋ＬｃをＹ軸の座標値から減ずればよい。ここで、この距離Ｌｂ＋Ｌｃは可能な限り小さくする必要がある。すなわち、この距離Ｌｂ＋Ｌｃが大きくなると、スタイラスペン１の傾きにより正確な補正ができなくなる。
【００６７】
また、判定部４３においては、上記演算部４２で算出されたスタイラスペン１の先端部２ａの表示部５０の表示面に対する３次元座標座標に基づきスタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否か、すなわちスタイラスペン１のペン芯２が内部に移動しているか否かを判定する。
【００６８】
すなわち、判定部４３においては、演算部４２で算出されたスタイラスペン１の先端部２ａの表示部５０の表示面に対する３次元座標座標が図１２に示すように表示部５０の表示面５０ａの内側の点Ｐである場合は、スタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されていると判定する。
【００６９】
表示制御部４４では、演算部４２による演算結果および判定部４３による判定結果に基づき表示部５０における表示を制御する。
【００７０】
すなわち、表示制御部４４では、演算部４２により演算されたスタイラスペン１の先端部２ａの位置に基づき表示部５０の表示面上にカーソルを表示し、判定部４３によりスタイラスペン１の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されていると判定された場合は、この点を、例えば、このスタイラスペン１による描画の開始点として認識してこのスタイラスペン１による描画に対応する画像を表示部５０の表示面上に表示する。
【００７１】
次に、図１に示した超音波受信部３０および演算処理部４０の具体的詳細構成について説明する。
【００７２】
図１３は、スタイラスペン１の内部回路構成を示したものである。図１３において、このスタイラスペン１は、このスタイラスペン１からの超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御部１１、オペアンプ１６を有し送信タイミング制御部１１から出力された超音波駆動クロックを増幅するアンプ部１５、超音波送出器１８を有しアンプ部１５から出力される超音波駆動信号により超音波を送出する送出部１７を具備している。
【００７３】
ここで、超音波送出器１８は、図６および図７に示した超音波を発生する圧電素子６に対応する。
【００７４】
ところで、この実施例においては、後に詳述する複数のスタイラスペンを同時使用可能なマルチペン機能および複数の表示モードを切替可能なマルチモード機能を可能にしているので、送信タイミング制御部１１は、基本クロックを生成するオシレータ（基本クロック生成部）１３からの基本クロックに応じてこのスタイラスペン１からの超音波送信タイミング制御の状態遷移を制御するシーケンサ１２を有している。
【００７５】
図１４は、図１に示した超音波受信部３０および演算処理部４０の具体的構成を示したものである。
【００７６】
図１４において、超音波受信部３０は、受信処理部３２、通信部３３から構成される。
【００７７】
ここで、超音波受信部３０は図１に示した超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃから構成される受信センサ部３１からの超音波受信出力を入力処理する。
【００７８】
受信処理部３２には、アンプ部６０、受信タイミング制御部７０からなり、アンプ部６０にはオペアンプ６１が設けられ、受信センサ部３１から出力される微小信号を受信タイミング制御部７０で処理できる信号に増幅する。
【００７９】
また、受信タイミング制御部７０には、カウンタ、レジスタ７１、シーケンサ７２、オシレータ７３、ＳＣＣ（シリアル通信制御部）初期化部７４が設けられている。
【００８０】
ここで、カウンタ、レジスタ７１は、図８に示したカウンタ３２１、３２２、３２３および受信時間保持回路３２５、３２６、３２７に対応し、オシレータ７３は基本クロックを生成する図８に示した基本クロック生成回路３２４に対応する。
【００８１】
また、シーケンサ７２は、オシレータ７３から出力される基本クロックに基づきこの受信タイミング制御部７０の受信タイミング制御の遷移状態を制御するものである。このシーケンサ７２は、図８に示したペンホルダ３４の同期回路３５からの同期信号（リセット信号）によりリセットされ、図１３に示したシーケンサ１２に同期して受信タイミング制御部７０における受信タイミング制御の遷移状態を制御する。
【００８２】
また、通信部３３には、ＳＣＣ（シリアル通信制御部）３３１およびＲＳ２３２Ｃインタフェースを駆動するための２３２Ｃドライバ３３２が設けられており、受信タイミング制御部７０から出力された信号をシリアルポートを用いて演算処理部４０に転送する。
【００８３】
演算処理部４０は、図１に示した演算処理部４０に対応するもので、所定のアプリケーションが搭載され、スタイラスペン１の指示位置に対応した表示を制御するウインドウ処理部（Ｗｉｎ ｆｏｒ Ｐｅｎ）、マウスドライバ等を有し、ＲＳ２３２Ｃインタフェースを介して超音波受信部３０の通信部３３に接続されるパーソナルコンピュータから構成される。
【００８４】
図１５は、上記構成において１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１を用いた場合の図１３に示した送信タイミング制御部１１のシーケンサ１２による超音波送信タイミング制御の制御例を示したものである。
【００８５】
この場合、この１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１において、図１３に示す送信タイミング制御部１１のシーケンサ１２からは、時間Ｔ間隔の超音波駆動信号がアンプ部１５を介して送出部１７に与えられ、これによりこの１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の送出部１７の超音波送出器からは、図１５に示すように、時間Ｔ間隔で各超音波送出期間ｔの超音波を発生する。
【００８６】
ここで、この図１５に示す場合においては、時間Ｔの超音波発生間隔を１フレーム＃１として、各フレーム＃１にこの１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１が割り当てられるように構成されている。
【００８７】
すなわち、この場合、この１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１に割り当てられた時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃１が繰り返されることになる。
【００８８】
図１４に示した受信タイミング制御部７０のシーケンサ７２では、この図１５に示した各フレーム＃１に同期して超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで受信した受信信号を処理を行い、演算処理部４０ではこの１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の位置を演算算出する。
【００８９】
ところで、この実施例においては、図１２で説明したように図１に示した判別部４３において、このスタイラスペンの演算算出位置に基づきこのスタイラスペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、この場合、この１本のスタイラスペンＰｅｎ＃１の位置を時間Ｔの超音波発生間隔で知ることができ、ここで、この時間Ｔが、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、６ｍｓｅｃ間隔でスタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔でスタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【００９０】
図１６は、図１４および図１４に示した構成において、２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２を用いた場合の図１３に示した送信タイミング制御部１１のシーケンサ１２による超音波送信タイミング制御の制御例を示したものである。
【００９１】
この場合、この２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２において、図１３に示す送信タイミング制御部１１のシーケンサ１２からは、時間Ｔ間隔の超音波駆動信号が交互にアンプ部１５を介して送出部１７に与えられ、これによりこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の送出部１７の超音波送出器からは、図１６に示すように、時間Ｔ間隔で各超音波送出期間ｔの超音波を交互に発生する。
【００９２】
ここで、この図１６に示す場合においては、時間Ｔの超音波発生間隔を１フレーム＃１として、各フレーム＃１にこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２が交互に割り当てられる。
【００９３】
すなわち、この場合、このスタイラスペンＰｅｎ＃１に割り当てられた時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃１およびスタイラスペンＰｅｎ＃２に割り当てられた時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃１が繰り返されることになる。
【００９４】
そして、図１４に示した受信タイミング制御部７０のシーケンサ７２では、この図１６に示した各フレーム＃１に同期して超音波受信素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃで受信した受信信号を処理を行い、演算処理部４０ではこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の位置をそれぞれ演算算出する。
【００９５】
ここで、この実施例においては、図１２で説明したように図１に示した判別部４３において、この２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２のそれぞれの演算算出位置に基づきこの２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、この場合、各スタイラスペンＰｅｎ＃１の位置を時間２の超音波発生間隔で知ることができ、ここで、この時間Ｔが、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、１２ｍｓｅｃ間隔で各スタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔でスタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【００９６】
図１７は、図１４および図１４に示した構成において、２本のスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２を用い、各スタイラスペンによる描画開始点等を各スタイラスペンに設けられたスイッチのオン、オフにより検出して、このスイッチのオン、オフを示す情報を超音波発生間隔Ｔの他のフレームに割り当てて送出する構成を採用した場合における図１３に示した送信タイミング制御部１１のシーケンサ１２による超音波送信タイミング制御の制御例を参考までに示したものである。
【００９７】
この場合、各スタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２に対してフレーム＃１とフレーム＃２の２フレームが割り当てられて、フレーム＃１は常時超音波を送出するスタイラスペンＰｅｎ＃１およびＰｅｎ＃２の位置検出用のフレームとして用いられ、フレーム＃２は、上記スイッチがオンした場合にのみ超音波を送出するスイッチのオン、オフ検出用のフレームとして用いられる。
【００９８】
すなわち、この場合、このスタイラスペンＰｅｎ＃１に割り当てられたそれぞれ時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃１およびフレーム＃２と、スタイラスペンＰｅｎ＃２に割り当てられたそれぞれ時間Ｔの超音波発生間隔からなるフレーム＃２が繰り返されることになる。
【００９９】
この場合、この時間Ｔが、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、各スタイラスペンの位置を知ることができる時間間隔は２４ｍｓｅｃとなり、滑らかな描画を行うのに要求される時間間隔のぎりぎりの時間間隔でしかでスタイラスペンの位置情報を得ることができず、例えば使用するスタイラスペンの数が３本以上になると滑らかな描画を行うことができない。
【０１００】
しかし、この発明のペン入力装置においては、図１に示した判別部４３において、各スタイラスペンのそれぞれの演算算出位置に基づき各スタイラスペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、例えば３本のスタイラスペンを用いた場合でも、上記時間Ｔが、例えば６ｍｓｅｃであるとすると、１８ｍｓｅｃ間隔で各スタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔で各スタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【０１０１】
なお、上記実施例においては、スタイラスペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンの描画開始点を識別するように構成したが、このスタイラスペンの先端部２ａが表示部５０の表示面に当接されているか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンによる他の表示モードを切り換えるように構成してもよい。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、入力ペンに該入力ペンの先端を表示装置の表示面上に当接させることにより入力ペンのペン芯を所定量だけ入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段を設け、この入力ペンに内蔵された超音波発信手段から送出された超音波を上記表示装置の表示面に設けられた複数の超音波受信素子で受信し、演算手段によりこの複数の超音波受信素子の受信出力に基づきペン芯を入力ペン本体内に引き込む前のペン芯の先端の３次元的位置を演算し、この演算されたの３次元的位置に基づき入力ペンによる表示モードを切り換えるように構成したので、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することができ、しかも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな描画入力を行うことが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わるペン入力装置を適用して構成した情報処理装置の一実施例の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した情報処理装置の外観を示す斜視図。
【図３】図１に示した表示部の表示画面に対して所定の位置関係で配設された３個の超音波受信素子とスタイラスペンによる指示位置の関係を示した図。
【図４】図１に示した実施例で用いるスタイラスペンの概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン芯の先端部を表示部の表示面に当接させていない状態を示す図。
【図５】図１に示した実施例で用いるスタイラスペンの概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン芯の先端部を表示部の表示面に当接させた状態を示す図。
【図６】図４および図５に示したスタイラスペンの超音波送出構造を説明するための図。
【図７】図４乃至図６に示したスタイラスペンのペン芯が表示部の表示面に当接させない場合と、ペン芯を表示部の表示面に当接させた場合とにおける圧電素子および超音波反射部の配設位置および超音波通過窓からペン芯の先端部の先端までの距離の変化の様子を示した図。
【図８】図１に示した超音波受信部における受信処理部の具体的構成を示したブロック図。
【図９】図８に示したスタイラスペンにおける基本クロックと超音波送出タイミングとの関係を示すタイミングチャート。
【図１０】図８に示したカウンタによる超音波受信時間の検出動作を示すタイミングチャート。
【図１１】図９に示した超音波通過窓からペン芯の先端までの距離の補正処理を説明する図。
【図１２】図１に示した判別部によるスタイラスペンの先端部が表示部の表示面に当接されているか否かを判別する処理を説明するための図。
【図１３】図１に示したスタイラスペンの内部回路の具体的構成例を示したブロック図。
【図１４】図１に示した超音波受信部および演算処理部の具体的構成を示したブロック図。
【図１５】図１３および図１４に示した構成において１本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の一例を示したタイミングチャート。
【図１６】図１３および図１４に示した構成において２本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の一例を示したタイミングチャート。
【図１７】図１４および図１４に示した構成において、２本のスタイラスペンを用い、各スタイラスペンによる描画開始点等を各スタイラスペンに設けられたスイッチのオン、オフにより検出して、このスイッチのオン、オフを示す情報を他のフレームに割り当てて送出うする構成を採用した場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の制御例を示す図。
【符号の説明】
１…スタイラスペン、３０…超音波受信部、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…超音波受信素子、３２…受信処理部、３３…通信部、４０…演算処理部、４１…通信部、５０…表示部

Claims (3)

1. 所定の入力面に対する入力ペンによる指示位置を入力するペン入力装置において、
   前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段と、
   前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設され、前記超音波発信手段から発信されて前記入力ペンのペン先から放射される超音波を受信する複数の超音波受信素子と、
   前記入力ペンと分離して設けられ、所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段と、
   前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期して前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御手段と、
   前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号を基準としてそれぞれ検出する受信タイミング検出手段と、
   前記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示装置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンのペン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段と、
   前記受信タイミング検出手段で検出した前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングおよび前記入力ペンのペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記超音波発信手段から前記ペン芯の先端までの距離に基づき前記所定の入力面に対する前記ペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記ペン芯の先端の仮想的３次元的位置を演算する演算手段と、
   前記演算手段で演算された前記ペン芯の先端の仮想的３次元的位置が前記所定の入力面から所定の距離入った内側の位置である場合は、該位置に対応する前記所定の入力面上の位置を前記入力ペンによる指示位置として判別する判別手段と
   を具備することを特徴とするペン入力装置。
2. 前記所定の入力面は、
   前記入力ペンにより描画された画像を表示する表示装置の表示画面上に設定される
   ことを特徴とする請求項１記載のペン入力装置。
3. 前記同期信号発生手段は、
   前記入力ペンの不使用時に該入力ペンを収容するペンホルダに設けられ、
   前記送信タイミング制御手段は、
   前記入力ペンが前記ペンホルダに収容された状態で前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期させる
   ことを特徴とする請求項１記載のペン入力装置。

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